Promieniowanie optyczne

Charakterystyki radiacyjne powierzchni

Promieniowanie a powierzchnia

Promieniowanie optyczne może na powierzchni
lub w warstwie ośrodka podlegać:



generacji (emisji) z powierzchni ośrodka



odbiciu i rozpraszaniu na powierzchni



pochłanianiu (absorpcji) przez ośrodek



przepuszczaniu przez warstwę ośrodka

Promieniowanie a powierzchnia

emisja

odbicie i rozpraszanie

absorpcja

przepuszczanie

Emisja promieniowania z powierzchni

Emisję idealnej powierzchni opisuje :
Prawo Plancka: (monochromatyczna gęstość
strumienia

promieniowania m

cc

)

Prawo Stefana Boltzmana: (gęstość
strumienia
promieniowania – emitancja M

cc

)

Oba prawa dotyczą powierzchni ciała

doskonale czarnego tzn. ciała które pochłania

całą padającą na jego powierzchnię energię

oraz w danej temperaturze emituje

maksymalną ilość energii

Powierzchnie ciał rzeczywistych zawsze emitują

mniej energii niż powierzchnia ciała doskonale

czarnego pozostającego w tej samej

temperaturze

Emisja promieniowania ciała doskonale

czarnego i emisja z powierzchni

rzeczywistych

m – monochromatyczna gęstość strumienia promieniowania
M - gęstość strumienia promieniowania (emitancja promienista)


T

– emisyjność półprzestrzenna całkowita





– emisyjność półprzestrzenna monochromatyczna

Emisyjność  określa stopień w jakim właściwości promienne

rzeczywistej powierzchni przybliżają się do właściwości

ciała doskonale czarnego

1

0





Ciała szare

Dla ciała szarego tzn dla każdej długości

fali monochromatyczna gęstość strumienia

promieniowania m jest jednakowo osłabiona w

stosunku do gęstości promieniowania ciała

doskonale czarnego m

cc

Ciałem szarym (doskonale szarym) nazywane

jest ciało, które pochłania określoną

współczynnikiem absorpcji a część

promieniowania padającego na to ciało bez

względu na długość fali padającego

promieniowania i temperaturę ciała.

Emisja promieniowania

Pochłanianie promieniowania

Ciało szare II

Emisja promieniowania a barwa

powierzchni

Ciało doskonale czarne

Właściwości:

- pochłania w całości padające promieniowanie

(całkowity brak odbicia i przepuszczania)

- dla danej temperatury emituje maksimum energii

Techniczne modele ciała doskonale czarnego:

T=con

st

Emisyjność powierzchni - Przykład

Powierzchnia pieca kaflowego o temperaturze t=55

o

C ma

emisyjność całkowitą =0.3. Jaka jest gęstość mocy

promieniowania tej powierzchni?

Ponieważ powierzchnia nie jest powierzchnią ciała doskonale czarnego to :

2

4

/

656

)

273

(

m

W

t

M

cc









2

/

197

3

.

0

656

m

W

M

M

cc









Kierunek emisji promieniowania z

powierzchni

n



Lambertowski (dyfuzyjny)

rozkład emisji promieniowania

I – natężenie promieniowania





cos

n

I

I 

Prawo

Lamberta

(kosinusowe)

Emisyjności rzeczywistych powierzchni

Odbicie promieniowania

Odbicie jest to zmiana kierunku rozchodzenia się
promieniowania na powierzchni będącej granicą dwóch
ośrodków

Rodzaje odbić

dyfuzyjne zwierciadlane

kierunkowe

rzeczywiste

off specular

retro odbicie
współbieżne

Odbicie dyfuzyjne czyli lambertowskie

(rozproszone)

Jest to odbicie spełniające równanie:





cos

n

I

I 

Lambertowski (dyfuzyjny)

rozkład odbicia promieniowania

n



I – natężenie promieniowania [W/sr]

Przyczyna odbicia dyfuzyjnego

O odbiciu dyfuzyjnym decyduje nierówność

powierzchni, zachodzi ono gdy  << h

Odbicie dyfuzyjne jest
charakterystyczne dla

powierzchni

chropowatych

Odbicie zwierciadlane

Jest to odbicie spełniające równanie:







pad

odb

I

I



'

Zwierciadlany

rozkład odbicia promieniowania

n

’



a







'

I – natężenie promieniowania [W/sr]

Wielkości charakteryzujące odbicie

Odbicie można opisywać przez podanie:



współczynnika odbicia 



wskaźnika odbicia R



funkcji rozkładu odbicia np. BRDF

pad

odb

W

W

k











2

1



wzorzec

odb

odb

id

W

W

k

R

,

,

2

1











pad

odb

pad

odb

dE

dL

dS

d

dL

Z

W

BRDF









1

1

L – luminancja energetyczna [W/m

2

sr]

E – natężenie napromienienia [W/m

2

]

Współczynniki odbicia

pad

odb

W

W

k











2

1



Dla jego określenia należy podać:



zakres przestrzenny padającego i odbitego promieniowania



zakres rozpatrywanych długości fal

a

b

c

d

e

Przykładowe rodzaje współczynnika odbicia: a –

dwunormalny, b – dwukierunkowy, c – kierunkowo-

półsferyczny,

d – półsferyczno-kierunkowy, e – bryłowo-

półsferyczny

Co do zakresu  to wyróżnia się:  –całkowite, 



- monochromatyczne

Wskaźnik odbicia

Za wzorzec najczęściej przyjmuje się odbicie dyfuzyjne.

Wskaźnik informuje na ile rzeczywiste odbicie jest

zbliżone do idealnego (np. dyfuzyjnego)

Co do zakresu  to wyróżnia się:  –całkowite, 



- monochromatyczne

wzorzec

odb

odb

id

W

W

k

R

,

,

2

1











dyfuz

odb,



odb



Funkcja rozkładu

odbicia

Co do zakresu  to wyróżnia się: BRDF – całkowite, BRDF



- monochromatyczne

pad

odb

pad

odb

dE

dL

dS

d

dL

Z

W

BRDF









1

1

E

L

Pochłanianie promieniowania

Pochłanianie promieniowania

Zjawisko polega na absorpcji (pochłanianiu) energii
promieniowania w ośrodku.
Zachodzi bezpośrednio w warstwie podpowierzchniowej
(ośrodki nieprzeźroczyste) lub w całej objętości (ośrodki
częściowo przeźroczyste)

Pochłanianie energetycznie charakteryzuje tzw. współczynnik absorpcji a:

pad

a

a







absorpcja

 – strumień

Co do zakresu  to wyróżnia

się:
a–całkowity,
a



- monochromatyczne

Pochłanianie promieniowania

prawo Lamberta-Beera

Pochłanianie jest proporcjonalne do:



grubości ośrodka (prawo Lamberta)



stężenia substancji pochłaniającej (prawo Beera)

mol

c

k

a





l – grubość warstwy
C

mol

– stężenie substancji pochłaniającej

k – absorpcyjność molowa

al

pad

t

e

I

I





t

pad

a

I

I

I





słuszne dla promieniowania monochromatycznego

Przepuszczanie promieniowania

Przepuszczanie promieniowania

Zjawisko polega na przepuszczaniu promieniowania przez
ośrodek.

Przepuszczanie energetycznie charakteryzuje tzw.

współczynnik przepuszczania



:

pad

t









Co do zakresu  to

wyróżnia się:  –

całkowite,




- monochromatyczne

Obowiązuje prawo Lamberta-Beera

al

pad

t

e

I

I





Związki pomiędzy odbiciem,

pochłanianiem i przepuszczaniem

promieniowania

Przy braku generacji promieniowania zachodzi oczywista zależność:

1











a

pad

t

a

odb















bo